生態(tài)袋加筋擋墻工作機(jī)理分析

孫建誠(chéng) ，李風(fēng)立 （河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401）

生態(tài)袋加筋擋墻工作機(jī)理分析

孫建誠(chéng) ，李風(fēng)立 （河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401）

由于生態(tài)袋擋墻結(jié)構(gòu)具有很好的經(jīng)濟(jì)性能和使用性能，近年來(lái)在工程實(shí)踐中倍受青睞，并具有了不少工程實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，但是其科學(xué)研究方面卻比較欠缺不能為工程實(shí)踐提供很好的理論依據(jù)?；谶@種情況，為得到合理的生態(tài)袋加筋擋墻形式設(shè)計(jì)組裝室內(nèi)生態(tài)袋加筋擋墻頂推實(shí)驗(yàn)裝置，采用PlaxisV8專業(yè)版有限元軟件建立了生態(tài)袋加筋擋土墻模型并對(duì)模型進(jìn)行了靜力加載數(shù)值模擬計(jì)算；對(duì)模型進(jìn)行了靜力加載數(shù)值模擬，并研究了加筋土擋土墻在自重及荷載作用下的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力分布情況，以及對(duì)各層筋材軸力、墻面體水平位移進(jìn)行了相關(guān)分析。

生態(tài)袋；加筋擋墻；有限元；力學(xué)性能

0 前言

生態(tài)袋加筋擋墻是一種新興起的支擋體系，它具有環(huán)保生態(tài)型和結(jié)構(gòu)柔性的特性，因此在工程實(shí)際中得到認(rèn)可和應(yīng)用，但是在工程實(shí)施的過(guò)程中仍然是按照傳統(tǒng)加筋擋墻的理論進(jìn)行指導(dǎo)實(shí)施的，這是因?yàn)樯鷳B(tài)袋加筋擋墻的理論研究還有所欠缺還不能真正的指導(dǎo)工程實(shí)踐。本文通過(guò)建立室內(nèi)的頂推實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)生態(tài)袋墻面體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析與研究，得到了其墻面體在水平推力作用下所產(chǎn)生的形變特征與規(guī)律，這為生態(tài)袋擋墻設(shè)計(jì)理論的研究提供了參考的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也為生態(tài)擋墻的施工技術(shù)體系提供了理論依據(jù)。

1 本構(gòu)模型

本文中應(yīng)用的是Plaxis巖土有限元計(jì)算程序，其對(duì)Mohr-Coulomb模型中的相關(guān)塑性理論導(dǎo)致的過(guò)高估計(jì)剪脹作用進(jìn)行了合理的處理，Mohr-Coulomb模型本身就能夠得到較合理的計(jì)算結(jié)果Plaxis有限元程序中包含了Mohr-Coulomb模型所以Plaxis得到的結(jié)果更值得信賴。Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則在三維應(yīng)力空間中是一個(gè)不連續(xù)函數(shù)，它在主應(yīng)力空間中由6個(gè)屈服函數(shù)構(gòu)成[1]。

Plaxis有限元軟件中的土工格柵單元的格柵材料是一種在縱向受力方面只可受拉不可受壓的，在橫向受力方面是不具有抗彎剛度的柔性材料。因此，可以認(rèn)為土工格柵單元的本構(gòu)關(guān)系是只能沿軸向變形的一維單元線彈性單元[2]。

2 墻面體水平位移分析

之所以叫做生態(tài)袋加筋擋墻是因?yàn)槠渫鈮κ怯缮鷳B(tài)袋堆砌而成，因此其結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)[4]，柔性結(jié)構(gòu)在外力的作用下會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的側(cè)向位移。加筋擋墻在不同荷載條件下的水平位移如圖1所示。

圖1 生態(tài)袋加筋擋墻墻面在不同荷載作用下的水平位移

由圖1可以得到：

在不受荷載的條件下，擋墻由于自重的作用已經(jīng)具有了水平位移，可以看出1.5m處為分界點(diǎn)，以上趨于豎直狀態(tài)，以下出現(xiàn)位移。

水平位移隨著荷載的增大而增加，最大位移位置隨荷載的增加而沿墻體上移。

由圖可知，當(dāng)載荷為120kN/m2時(shí)墻面出現(xiàn)最大位移，即墻體的水平位移有一個(gè)最大值，不是隨荷載線形增加的。

分析2m截面處的豎直位移增量的情況，可得150kN/m2荷載時(shí)較120kN/m2荷載時(shí)豎直位移增加明顯增加斜率變小，綜合水平位移的變化規(guī)律可知荷載由120kN/m2增至150kN/m2的過(guò)程是以豎直位移變化為主導(dǎo)的，豎直位移變大土體自然沉降變大使得土體背離墻面滑動(dòng)，這也就是在加載120kN/m2時(shí)墻體的水平位移值到達(dá)最大值的原因。

由以上分析可知，荷載的增加使得墻面的水平位移增大，這很可能造成墻體的失穩(wěn)從而影響擋墻的正常使用。

3 土壓力分析

生態(tài)袋加筋擋墻由于其結(jié)構(gòu)上的特殊性，相比于普通的擋土墻，其受力特點(diǎn)和特征具有差異性和獨(dú)特性，土壓力的分布又直接影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算的準(zhǔn)確性，所以對(duì)擋墻進(jìn)行土壓力分析是很有必要的。

為擋土墻墻后土體在不受荷載作用下的垂直應(yīng)力等值線圖可以看出沿格柵長(zhǎng)度方向垂直應(yīng)力與長(zhǎng)度為非線性關(guān)系，在墻體上部垂直應(yīng)力呈現(xiàn)雙峰趨勢(shì)，在格柵末端及其他層面呈現(xiàn)單峰特征。加筋土部分土體的垂直應(yīng)力分布在豎直方向上呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，在隨著遠(yuǎn)離墻面板時(shí)非線性趨勢(shì)減弱其原因在于大的水平位移使垂直應(yīng)力在一定的范圍內(nèi)消散。

從擋墻在不受荷載的作用下水平應(yīng)力的分布特點(diǎn)可得實(shí)際土壓力呈非線性分布且遠(yuǎn)大于理論朗肯土壓力，在墻體下側(cè)出現(xiàn)波動(dòng)這是由于擋墻的柔性特征改變了加筋結(jié)構(gòu)土體水平應(yīng)力的分布，生態(tài)袋側(cè)面方向上的變形使得水平應(yīng)力消散，作用范圍可達(dá)墻面板后2.5m處。

圖2 工序3水平應(yīng)力沿土工格柵方向的分布圖

由圖2可以看出，水平應(yīng)力沿土工格柵方向的分布在距墻底6m的位置有逐漸增大的趨勢(shì)，在6.8m處有逐漸減小的趨勢(shì)，隨著距離的增加只在末端有明顯的減小其他地方呈現(xiàn)逐步平穩(wěn)的趨勢(shì)，分析原因可知是生態(tài)袋側(cè)面方向上的變形使得水平應(yīng)力消散，格柵末端應(yīng)力銳減是加筋土體受墻后土體作用而產(chǎn)生傾覆力矩而導(dǎo)致的。

4 格柵軸力分析

如圖3、4為8.4m、8.8m層位在不同荷載作用下軸力變化的曲線。

由圖3可知：

①荷載的增加使得中間層位格柵軸力變化較大并且荷載增大導(dǎo)致軸力最大值遠(yuǎn)離墻背。

②在不受荷載作用時(shí)軸力分布呈單峰曲線狀。當(dāng)荷載由10kN增至50kN時(shí)呈雙峰分布，當(dāng)荷載大于50kN時(shí)，又呈單峰分布。

③荷載的增加導(dǎo)致加筋筋材末端0.8m處出現(xiàn)軸力減小的現(xiàn)象，這是在荷載作用下使得墻后未加筋土體水平作用力較大，從而增大筋材末端軸力，當(dāng)作用力減小時(shí)，筋材軸力也隨之減小。

圖3 8.4m處土工格柵

圖4 8.8m處土工格柵

由圖4可知，8.8m層位處在整個(gè)過(guò)程中軸力均呈單峰分布，并且軸力隨荷載增大而向格柵中部靠近，當(dāng)荷載到達(dá)一定數(shù)值后又有背離墻被的趨勢(shì)。

5 結(jié)論

運(yùn)用PLAXIS有限元軟件，建立生態(tài)袋加筋擋土墻模型，通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析得到如下結(jié)論。

①隨著荷載的增加，墻面出現(xiàn)“鼓肚”現(xiàn)象，隨荷載加而發(fā)展，生態(tài)袋加筋土擋墻雖未發(fā)生整體失穩(wěn)但擋土墻發(fā)生變形破壞。

②生態(tài)袋加筋擋墻因其墻面的柔性及允許較大的變形的特性，給墻后土體的土壓力分布情況帶來(lái)了很大的影響，擋墻墻后靠近墻面體的土體垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力均發(fā)生減小，側(cè)向變形對(duì)應(yīng)力消散作用的作用范圍為2.5m。

③墻高度方向分為上、中、下三部分，上、下兩部分加筋筋材軸力沿格柵長(zhǎng)度向呈單峰分布，中間部分加筋筋材軸力沿格柵長(zhǎng)度向呈雙峰分布，但隨著荷載的增加雙峰分布會(huì)向單峰分布變化，最后趨于一致。

[1]王瑋晶.土工格柵及生態(tài)袋在生態(tài)護(hù)坡中的應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2011，17(7)：97-98.

[2]陳華.土工格柵加筋土擋墻力學(xué)特性試驗(yàn)研究[D].北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2010.

[3]周世良，何光春，汪承志，等.臺(tái)階式加筋土擋墻模型試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29(1)：152-156.

[4]但禮堂，史宏彥，張建龍.某河道護(hù)岸工程加筋土擋墻的原型觀測(cè)[J].建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)，2004，31(12)：39-41.

TU432

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